高層建筑居民天然氣供應技術探討

摘 要

高層建筑的發展速度越來越快，給高層建筑居民天然氣供應帶來了越來越多的挑戰，因此對高層建筑居民天然氣供應技術的研究具有十分重要的意義。本文介紹了高層建筑居民天然氣供應技術的原理、方法以及各種特殊問題的處理技術。
摘要：高層建筑的發展速度越來越快，給高層建筑居民天然氣供應帶來了越來越多的挑戰，因此對高層建筑居民天然氣供應技術的研究具有十分重要的意義。本文介紹了高層建筑居民天然氣供應技術的原理、方法以及各種特殊問題的處理技術。
關鍵詞：高層建筑；天然氣供應；處理技術
The Residents’Natural Gas Supply Engineering Research of High-Rise Construction
PetroChina Southwest Oil & Gasfield Company Mid-SiChuan oil & gas mining area
Nanchong Jianeng Natural Gas Co.Ltd Yang Ying，Wei Shize
Abstract：With development of high-rise construction getting quicker and quicker，it has brought more and more challenges to the resident natural gas supply. Therefore，the resident natural gas supply technology’s research of the high-rise
construction is very important. This article introduced natural gas supply technology principle of high-rise construction and the method as well as processing technology of each kind of special question systematically.
Keywords：high-rise construction；natural gas supply；processing technology
1 引言
    當前城市建設正處于高速發展時期，增長的人口相對于日趨緊張的建筑用地和不斷擴大的規劃城市公用設施占地之間矛盾越來越尖銳。高層建筑可以節約緊張的土地，可以形成美化城市的一道風景線。高層建筑[1]定義：十層及十層以上的居住建筑(包括首層設置商業服務網點的住宅)或建筑高度超過24m的公共建筑(單層主體建筑高度超過24m者除外)。高層建筑本身構特點決定了為其配套的天然氣供氣系統與普通建筑有所不同[4]，解決好高層建筑居民天然氣供應是至關重要的，若鋸決不好有可能構成重大安全隱患，造成嚴重的后果。
2 高層居民天然氣供氣系統
    高層居民天然氣供氣系統可分為：低壓供應系統、中壓供應系統及中-低壓聯合供應系統。
    對于樓層數較少。用氣量不大的高層建筑，可由城市低壓管網直接供氣，采用天然氣低壓供應系統，低壓供應還包括由中壓管網供氣至樓幢調壓箱、調壓室、調壓柜調壓后變為低壓天然氣進入建筑物內。對于樓層數較多，用氣量較大的高層建筑，可采用天然氣中壓供應系統。中壓供應系統采用中壓(小于0.2MPa)天然氣進戶，在戶內設置戶內調壓器將壓力調至燃燒器所需要的壓力。
    當高層建筑內既有居民生活用氣又有公共建筑用氣設備時，則可將天然氣由城市中壓管網引至高層建筑天然氣供應系統，并分為二路：一路供公共建筑用氣設備；另一路樓幢調壓箱、調壓室、調壓柜調壓后變為低壓天然氣進入建筑物內供居民生活用氣。這樣的供氣方式被稱為：中-低壓聯合供應系統。
3 高層居民天然氣供應系統中的特殊問題及處理技術
   高層建筑自身的特點決定了高層天然氣供氣系統的特殊性。在高層天然氣供應系統中要注意的幾個特殊問題。
3.1 高層建筑沉降問題及解決方法
    高層建筑的自重很大，土壤的承載能力有限，一般高層建筑地基都有一定數值的允許沉降量。地基產生大小不同的沉降，將給天然氣管道在建筑物內的設置帶來一定的難度，特別是對天然氣引入管的影響非常大。由于建筑物沉降時，天然氣引入管是相對靜止的，因此天然氣引入管道要承受建筑物作用產生的切應力，當切應力超過極限時，管道就會斷裂、脫開等，造成天然氣泄漏，容易發生安全事故。克服高層建筑沉降的方法：
    (1) 在立管(或穿墻管)前的水平管上加設一個波紋管補償器，利用補償器的補償能力來減小引入管的切應力；
    (2) 在立管(或穿墻管)前的水平管上加設幾個彎頭(最好用煨彎)，相當于加設一個方型補償器，用彎頭的自然補償來減少引入管的受力。此種方法簡單易行，但是受位置的限制；
    (3) 在立管(或穿墻管)前的水平管上加設彎曲管、蛇形管等撓性管，用撓性管自然補償來減少引入管的受力；
    (4) 在引入管穿越墻體時加設鋼套管，鋼套管保證燃氣管道的上部與鋼套管的間隙大于建筑物的最大沉降量，下部也應留有一定的間隙。
3.2 高層建筑的水平位移問題及補償措施
    在風載荷的作用下，高層及超高層建筑物上部會發生水平位移。建筑物表面所受風載荷不同，則建筑物的振動周期不同。振動頻率也不同。當建筑物振動頻率與天然氣供應系統管道的振動頻率接近時，有可能發生共振現象，會造成嚴重的后果。高層建筑在不同的高度產生的水平位移不同，使整個高層建筑在高度方向呈弧狀，則整個天然氣供應系統的豎直立管和橫向支管均發生位移。
    天然氣供應系統豎直的立管和橫管在進行伸縮補償時，不論豎管還是橫管，必須在其上設置錨固點，以限定補償的范圍，并且在橫管錨固點之前設伸縮補償器。而天然氣穩壓器、閥門等管道設備應設于橫管錨固定點后，應視作相對于建筑是無水平位移，使這些管道設備免受天然氣管道位移的影響。
豎直管道上錨固點之間的距離由風載荷在立管上產生的彎曲應力。校核壓縮應力及彎曲應力(考慮地震對立管影響時)這3個應力的合力與該立管鋼材的許用應力來確定。最后再考慮該段管道的熱漲，以便考慮熱補償措施，并據此來校核建筑結構承受管道自重的能力，最終調整豎直管道上的錨固定點的個數。
 
    式中：λ—管端固定情況的參數，兩端固定時λ=4.73；
          E—鋼材的彈性模量，kg/cm2；
          I—鋼管的慣性矩，cm4；
          g—重力加速度，m/s2；
          l—管道長度，cm；
          q—單位長度管道重量，kg/m。
    管道振動頻率如果與建筑物固有頻率相等，會發生共振，管道會破壞。管道的振動頻率可以通過調整錨點間距來調整。
3.3 高層建筑天然氣供氣立管自重的問題
    高層建筑物的樓層數較多，燃氣立管的長度也較長，管道的自重較重，產生的壓應力很大。為了使整個立管自重能均勻分攤，應在建筑物中每隔一定的距離設置管道的固定支架，使固定支架與建筑物成為一體，以減少立管底部壓縮應力過于集中，防止因管道下沉而引起引入管受力折斷或變形引起倒坡。一般固定立管的做法有：
    (1) 對于室內立管。在每隔7～10層的穿樓板處加設固定支撐，使燃氣管道、套管以及建筑物成為一體。如圖1(圖中單位為mm)。
    (2) 對于室外立管，在每隔7～10層的高度處加設固定支撐，見圖2(圖中單位為mm)?；蚣右欢嗡焦芏?，在水平管段上加支架。
    (3) 在立管的底部及最高部位，采用完全固定。如圖3。
3.4 高層建筑天然氣供氣管道溫度變化熱應力及消除措施
    高層建筑內的天然氣供氣管道豎直管很長，由于施工時的環境溫度與管道工作時的溫度不同，會產生熱應力。施工時的環境溫度與管道工作時的溫度差與高層建筑內的天然氣供氣立管的敷設位置有關。產生的熱應力會將樓板或外墻的管卡等破壞。
    高層建筑燃氣立管和水平干管應考慮工作環境溫度下的極限變形，當自然補償不能滿足要求時，應設置補償器；補償器宜采用形或波紋管形，不得采用填料型。補償量計算溫差可按下列條件選?。?/span>
    (1) 有空氣調節的建筑物內取20℃；
    (2) 無空氣調節的建筑物內取40℃；
    (3) 沿外墻和屋面敷設時可取70℃。
    根據上述推薦的計算補償量的溫差為20℃、40℃、70℃(管道沿外墻和屋面敷設時)，由此得到的碳鋼鋼管長度為30m(相當于10層樓高)的熱伸長量約為7mm～25mm，采用一般技術措施，并不難克服其位移。但當管長為60m時，一般技術措施較難處理，必須采用有效的專門措施予以消除，即設置自由端或熱補償。可用自由位移、彎管段自然補償、補償器等方法。
3.5 因密度差產生的附加壓力問題
    附加壓力是由于天然氣密度與空氣密度有差異，以及測壓點或用壓點與測壓基準點或供壓起始點的高差引起的物理現象。附加壓力對高層天然氣供氣系統的影響還與天然氣供氣系統的供氣方式有關。附加壓力過大，會造成某些用戶燃具前壓力波動增大，超出燃具穩定工作范圍，影響用戶燃具的正常燃燒，造成燃氣不完全燃燒，甚至發生離焰、脫火、回火和熄火等現象，增大供氣不安全性[5]?？刂坪拖郊訅毫Φ挠绊?，是保證高層供氣系統安全正常運行的重要方面。
3.5.1天然氣供氣系統的供氣方式
    天然氣供氣系統的供氣方式可分為：上環下行供氣系統、下環上行供氣系統、上環下行+下環上行供氣系統：
    上環下行供氣系統是指中壓管道沿建筑物外墻敷設至樓頂，經樓頂中-低壓調壓箱調壓后，分出若干根低壓立管，各低壓立管沿著靠近用氣房間的建筑外墻或陽臺向下引至各用戶的供氣方式。這種供氣方式的調壓設備、控制閥門及放散管都設置在屋頂，建筑外立面燃氣設施較少，且屋頂管道都為明設，方便檢修維護。由于現代高層建筑地面用地資源極其有限，地下管道密布，且一般都建有地下室，這就造成埋地庭院管道埋深不夠，與其他管道及建筑物間距不夠等諸多問題，給施工帶來很多困難。上環下行供氣系統一般一棟樓只有一條中壓管道引出地面，埋地庭院管道較短，從而有效地減少了此類問題的發生。且每棟樓都只在中壓管道引出地面處設置一個閥門箱，減少了對建筑立面的影響。因此對于屋頂有布管條件的建筑，提倡使用這種供氣系統。
    這種供氣方式不足之處在于天然氣密度比空氣小，由上向下輸氣壓力損失增大。而且當建筑的屋頂為斜屋頂或屋頂為住戶私用時，沒有可供安裝燃氣設備及管道的空間。就不適合采用這種供氣系統。
    下環上行供氣系統與上環下行供氣系統相反，是把樓棟調壓箱放置在建筑物一層外墻上，燃氣經過調壓后，通過埋地低壓干管引至各低壓立管閥門箱前，經各自控制閥后沿建筑外墻引上的供氣方式。
    如果建筑物屋頂沒有敷設管道和安裝調壓裝置的空間，就適合采用下環上行供氣系統。對于樓層較少、用戶數量不多的建筑，尤其是別墅區，采用下環上行供氣系統更為經濟。可在庭院管道起點位置設置調壓箱(或柜)庭院管道全部采用低壓管道，這樣可以節約管材和調壓設備，并且低壓管道與其他管道和建筑物的間距要求較小，容易布管。但這種方式會造成庭院管道較長、埋深不足等問題。采用這種設計方案后應做好與主體設計院的管道綜合和外立面協調工作，盡量減少與其他專業的沖突。
    對于樓層超過25層的建筑，采用上環下行+下環上行相結合的供氣系統，分開設置高層供氣系統和低層供氣系統。這種做法雖然會造成管道、閥門、調壓器等數量的增多，造價加大，但是保證了在有事故發生或檢修時，對用戶造成的影響盡量少。
3.5.2附加壓力消減措施
    隨著樓層升高，附加壓力逐漸增大，對由下環上行供氣系統的供氣方式，相當于降低了管道阻力。要消除附加壓力的影響，須增加管道阻力。具體措施有：
    (1) 每隔一定層數設一節流閥，這種方法簡便、經濟、易操作。但是，當只有頂層極少數用戶用氣時，附加壓力減少不明顯；管內流量隨用戶數的多少而變化，流量的變化致使立管的阻力也隨之變化，造成用戶燃具前壓力波動。
    (2) 在立管上設置低-低壓調壓器。通常將調壓器裝設在附加壓力超過200Pa的樓層。通過調壓器，穩定燃具前壓力，消除附加壓頭影響。
    (3) 每戶裝設閥門，根據各樓層不同的燃氣壓力。分別調整閥門的開度，節流調壓，克服附加壓力的影響，從而滿足每戶燃具所需正常工作壓力。但由于閥門開度不好控制，故這種做法很少采用。
    (4) 在用戶表前設置用戶低-低壓調壓器，使燃具前壓力穩定在額定工作壓力范圍內。
    (5) 采用中壓管道直接進入建筑物，在戶內燃氣表前加中-低壓調壓器，這樣用戶之間的影響較小，用氣高峰時壓力波動也不明顯，而且調壓器后的低壓管段較短，燃具基本上是處在額定壓力下工作，運行工況較佳，比較好地消除附加壓力的影響。但是戶內有一部分中壓管道，安全性比低壓管道有所降低，并且工程造價也較高，所以一般不主張采用。
    隨著樓層升高。附加壓力逐漸增大，對由上環下行供氣系統的供氣方式，相當于增加了管道阻力，要消除附加壓頭的影響，須降低管道阻力，或提高供氣系統壓力。具體措施有：
    (1) 根據管道水力計算，可采用較大管徑的立管，以減小管道阻力；
    (2) 根據管道水力計算，可采用提高供氣系統壓力保證低壓進戶，以抵消管道阻力；
    (3) 采用中壓進戶的供應方式。用中壓直接進入建筑物，在戶內燃氣表前加中-低壓調壓器，消除了附加壓力的影響。但戶內有一部分中壓管道，安全性比低壓管道有所降低，并且工程造價也較高。
    在實際應用中，根據現場的各種實際情況選擇最優消減附加壓力的方法，確保高層天然氣供應的安全平穩。
3.6 高層建筑因天然氣泄漏的防護問題
    由于高層建筑高度較高，層數較多，人員較密集，一旦發生火災，人員疏散困難，為了確保高層天然氣用戶能安全平穩的使用天然氣，必須合理配置先進設備，輔以燃氣安全報警和自動控制系統，采取安全措施。具體防護措施有：
    (1) 在引入管處設置快速切斷閥，每隔6～7層加一個分段閥門；
    (2) 各用戶設置燃氣報警裝置、自動切斷裝置、送排風系統等。燃氣報警裝置和自動切斷裝置、送排風系統應連動：
    (3) 高層建筑的燃氣管道、燃氣設備應定期檢修，保障其安全運行；
    (4) 當高層建筑的樓層數較多高度較高時(如樓層數超過25層)，宜設燃氣集中監控裝置。
4 結論
   為了保證高層建筑居民天然氣供應系統的安全、經濟、合理，在設計方案方面必須根據當地的氣源、壓力、建筑、安全、地理、環境等特點綜合考慮，優化設計施工方案。目前我國高層建筑居民天然氣供應系統技術在實際運用中還存在一些問題：
    (1) 在設計和施工驗收方面沒有專門針對高層建筑燃氣供應的規范；
    (2) 高層建筑燃氣供應技術在克服高層建筑的沉降、附加壓頭的消減、燃氣泄漏報警、熱應力的消除等方面的經驗較少；
    (3) 在高層建筑燃氣供應抗震方面的研究還不夠，沒有形成系統的研究處理方案；
    (4) 高層建筑燃氣供應在進行設計和現場施工過程中同供水、供電等其它行業的溝通協調工作還不夠。
參考文獻
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2 中國市政工程華北設計研究院主編.城鎮燃氣設計規范.北京：中國建筑工業出版社，2006
3 袁宗明。謝英，梁光川主編.城市配氣.北京：石油工業出版社.2004
4 蔣連成.李淑芬，張志忠主編.高層建筑燃氣管道設計有關問題的探討[J].煤氣與熱力，1999，19(4)：22-24.
5 段常貴.燃氣輸配(第3版)[M].北京：中國建筑工業出版社，2001
 
(本文作者：楊瑩 魏世澤 中國石油西南油氣田公司川中油氣礦 637005)